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Propriétés fonctionnelles - Modifications chimiques des protéines alimentaires et étude des
relations structure/fonction
Functional properties of food proteins - Chemical modifications and study of structure/function
interactions in proteins
Oléagineux, Corps Gras, Lipides. Volume 10, Numéro 1, 41-6, Janvier - Février 2003, Protéines et
lipides végétaux : interactions nutritionnelles et fonctionnelles
Auteur(s) : Véronique VIDAL, Eliane CASES, Jean-Louis CUQ, Laboratoire Génie Biologique et Sciences
des Aliments, Université Montpellier II, 34095 Montpellier Cedex 5, France.
Author(s) : Véronique VIDAL, Eliane CASES, Jean-Louis CUQ
Résumé : Les modifications chimiques des protéines alimentaires sont réalisées dans le but d'
améliorer leurs propriétés fonctionnelles. Elles sont également pratiquées pour des études
fondamentales des relations structure/fonction des protéines. Les principales modifications
chimiques des protéines alimentaires sont présentées ainsi que leurs incidences sur les propriétés
fonctionnelles telles les propriétés émulsifiantes, moussantes, visqueuses, d'hydratation et de
gélification.
Summary : Chemical modifications are used to improve functional properties of food proteins. They
are also used for fundamental studies of structure/function relationships. The main chemical
modifications of food proteins are reviewed. Resulting typical functional properties including
emulsification, foaming, hydration, viscosity and gelation were presented.
Mots-clés : modification chimique, protéines.
Keywords : chemical modification, proteins.
ARTICLE
Introduction
Au cours des procédés de transformation des aliments, les protéines sont soumises à des
modifications liées à des traitements physiques (thermiques ou mécaniques), enzymatiques
(hydrolyse, réticulation) ou chimiques (glycosylation par réaction de Maillard). Ces modifications,
souvent souhaitées parfois subies, ne sont pas forcément entièrement maîtrisées. Toutefois, des
modifications chimiques peuvent être réalisées de façon intentionnelle, soit pour améliorer certaines
des propriétés fonctionnelles des protéines, soit pour leur en conférer d'autres. De nombreux articles
ont été consacrés aux procédés de modifications des protéines en vue d’ améliorer leurs propriétés
fonctionnelles [1-7]. Les modifications chimiques des protéines sont également pratiquées au cours
d’études plus fondamentales des relations structure fonction des protéines [8]. Actuellement, les
Article disponible sur le site http://www.ocl-journal.org ou http://dx.doi.org/10.1051/ocl.2003.0041
Matières Protéiques Végétales font l'objet de nombreuses études leur permettant d'être mieux
connues et exploitées, elles sont devenues un ingrédient important en industrie alimentaire. Parmi
les voies explorées, les modifications chimiques générant des "propriétés fonctionnelles" souhaitées
font l’ objet de développements importants en particulier en industrie non alimentaire. Néanmoins,
certaines modifications chimiques peuvent se heurter aux problèmes majeurs que sont la toxicité ou
la réduction de la valeur nutritionnelle. Ces inconvénients non négligeables vont donc limiter les
applications dans le domaine alimentaire aux études structure/fonction et conduire à des
applications dans le domaine non alimentaire.
Les principales classes de réactions utilisées et leurs conséquences sur les propriétés fonctionnelles
des protéines sont présentées dans les pages suivantes.
Une grande diversité de modifications chimiques
Les principales classes de réaction chimiques utilisées sont l’ acylation, l’ alkylation, la réduction,
l’ oxydation et la réticulation. Ces modifications chimiques des chaînes latérales des protéines,
spécifiques ou non de certains résidus d’ acides aminés, permettent d’ obtenir des propriétés
modifiées et souvent améliorées. Parmi celles ci, nous pouvons noter la solubilité, les capacités
moussantes, émulsifiantes, gélifiantes, les capacités de rétention d’ eau, les propriétés filmogènes.
Les chaînes latérales d’ acides aminés des protéines peuvent être modifiées de diverses façons, selon
le réactif employé. Néanmoins, une chaîne latérale donnée peut réagir avec plusieurs réactifs, de
même qu’ un réactif peut interagir avec plusieurs types de chaîne latérale (alpha- ou epsilon-aminé,
hydroxyle, phénol, thiol, imidazole, indole...). Par conséquent, peu de réactifs sont spécifiques d’ un
type de chaîne latérale. Quant à la réactivité du groupement, elle est essentiellement fonction de
l’ accessibilité du groupement, et des conditions du milieu (pH, température, sels, nature du
solvant...) qui rendront spécifiques la dite réaction.
Augmentation du caractère apolaire de la protéine
De par sa facilité à mettre en œuvre, l’ acylation au moyen d’ anhydrides est la méthode la plus
couramment employée pour modifier les chaînes latérales des protéines. Lorsqu’ elle est réalisée
avec de l’ anhydride acétique, la réaction conduit à l'acétylation des groupements alpha- ou epsilon-
aminés des protéines (figure 1a) : ces groupements ionisables sont alors transformés en
groupements non ionisables. La présence du groupement méthyl permet une légère augmentation
du caractère apolaire de la protéine qui pourra alors réagir avec d’ autres composés apolaires de
type liquide ou gazeux. Néanmoins, il apparaît que l'augmentation du caractère apolaire de la
protéine est largement dépendante du taux de modification appliqué. Des études réalisées sur des
protéines de légumineuses montrent que de faibles taux d'acétylation induisent une diminution de
l'hydrophobicité de surface des protéines suite à l'internalisation de groupements hydrophobes au
sein de la structure protéique. Des taux d'acétylation plus importants (supérieurs à 60 %) conduisent
à une augmentation de l'hydrophobicité de surface des protéines. Cette augmentation serait induite
par une augmentation de la charge nette négative impliquant un dépliement de la structure
protéique et une exposition supplémentaire des groupements hydrophobes [9]. Les conséquences
d'une telle modification chimique vont donc être fortement dépendantes de nombreux facteurs tels
la structure primaire, la conformation de la chaîne protéique, les conditions environnementales (pH,
température, force ionique...) et le taux de réactivité. L'acétylation a été réalisée dans le but
d'améliorer les propriétés émulsifiantes et moussantes de globulines constitutives des graines de
légumineuses [10-13]. Parallèlement, le degré d’ hydrophobicité étant accru, les interactions
hydrophobes intra et intermoléculaires favorisent le plissement et l’ agrégation de la protéine,
abaissant ainsi ses propriétés d’ absorption d’ eau [14]. Pour ces mêmes raisons, les protéines
acétylées présentent une sensibilité élevée à l'action de la chaleur [15].
L'augmentation du caractère apolaire d'une protéine peut également être réalisée par la mise en
œuvre de chlorures d'acides, d'esters activés d'acides gras ou bien d'anhydrides [16-20]. Ces réactions
permettent le greffage de chaînes aliphatiques plus ou moins longues ou de groupements
aromatiques ; elles sont également appelées réactions de lipophilisation (figure 1b). Ces procédés
permettent d'obtenir des protéines à caractère amphipolaire très marqué. Ces changements de
structure entraînent le plus souvent une amélioration des propriétés de surface telles que les
propriétés moussantes et émulsifiantes. De plus, cette amélioration semble d'autant plus importante
que la longueur de la chaîne aliphatique greffée augmente. Le greffage d'acide gras a été réalisé par
biocatalyse (action de lipases) sur des isolats de protéines de soja. Un rendement de greffage de
60 % des résidus de lysine des isolats de protéines de soja a été atteint avec de l'acide caprique [21].
Il est à noter que le greffage n'est pas spécifique des résidus de lysine mais la liaison amide formée
avec ces résidus est très stable chimiquement vis-à-vis des conditions de pH et de température. Les
réactions de lipophilisation réalisée par biocatalyse représentent une alternative intéressante au
procédé purement chimique car elles ouvrent une nouvelle voie pour la valorisation des protéines
végétales en tant qu'agents tensioactifs dans le domaine des produits cosmétiques, pharmaceutiques
ou d'hygiène.
L’ alkylation réductrice en présence d’ un aldéhyde ou d’ une cétone, et d’ un agent réducteur,
permet également la transformation de divers groupements ionisables (aminés, indole, thiol) en
groupement apolaire. La réaction présentée sur la figure 1c met en évidence la réduction d’ un
groupement epsilon-aminé d’ une protéine avec le formaldéhyde en présence de cyanoborohydrure
de sodium. Le nombre de charges positives diminuant, cela se traduit par une diminution de la valeur
du pHi de la protéine et donc une modification de ses propriétés de solubilité. L'alkylation réductrice
à l'acétaldéhyde d'hydrolysats trypsiques de caséines induit une augmentation de la solubilité des
produits de la réaction quel que soit le pH ainsi que de leur capacité émulsifiante [22].
Diminution de la charge électrique et augmentation de la polarité
L’ acylation réalisée à l’ aide d’ isocyanate (figure 2a) ou carbamylation, permet le blocage des
groupements epsilon-aminés et le greffage de groupement carbamyl non ionisables, aptes à former
des liaisons hydrogène. Cela se traduit par une augmentation de la capacité d’ absorption d’ eau de
la protéine et de sa solubilité. Toutefois, il est à noter que de par sa toxicité, l’ isocyanate ne peut
être utilisé dans le domaine alimentaire.
L’ amidation des groupements carboxyliques des protéines permet la transformation du groupement
carboxylique en amine primaire ou secondaire (figure 2b). Cette réaction est utilisée pour le greffage
d’ acides aminés essentiels sur les protéines : en ce sens, il a pu être greffé de la méthionine sur des
protéines de soja ou du tryptophane sur les protéines de gluten de blé [23]. De même, du
tryptophane, de la glycine, de l'alanine, de la méthionine, de l'acide aspartique et de l'asparagine ont
été incorporés sur des caséines par formation d'une liaison isopeptidique [24]. Cette liaison
isopeptidique est une liaison amide entre le groupement carboxylique de l'acide aminé à greffer et le
groupement epsilon-aminé des résidus de lysine d'une protéine ou bien le groupement aminé de
l'acide aminé et un groupement carboxylique libre de la protéine. Les liaisons isopeptidiques formées
étant hydrolysables pour la plupart par une aminopeptidase digestive, la réaction d’ amidation
n’ altère pas la valeur nutritionnelle de la protéine modifiée. La réaction d’ amidation permet
également la protection des groupements epsilon-aminés contre la réaction de Maillard.
La réaction d’ alkylation réductrice réalisée à partir d’ un intermédiaire de la réaction de Maillard (la
base de Schiff) et en présence de borohydrure, permet la formation de néoglycoprotéines (figure 3).
La présence de ces résidus glycosylés rend la protéine modifiée plus polaire, ses propriétés de
solubilité étant alors accrues [25]. Les néoglycoprotéines ainsi formées présenteraient des propriétés
interfaciales améliorées. L'alkylation réductrice réalisée sur des caséinates ou des protéines de pois a
permis de greffer différents carbohydrates (glucose, fructose, lactose ou galactose) : les dérivés
néoglycosylés qui en résultent présentent de meilleures propriétés émulsifiantes que les protéines
natives [26, 27].
Accroissement de la charge négative de la protéine (par introduction de groupements ionogènes)
L’ accroissement de la charge négative d’ une protéine peut être réalisé par greffage de groupements
carboxyles ionisables. La présence de charges négatives additionnelles entraîne une diminution du
pHi de la protéine, une augmentation des répulsions électrostatiques, le déplissement de la protéine
et sa dissociation. Elle se traduit par une amélioration de sa dispersibilité, sa capacité d’ absorption
d’ eau et sa sensibilité à la précipitation par les ions bivalents type calcium [28-33]. L’ introduction de
groupes carboxyles ionisables peut être réalisée par acylation avec l’ anhydride succinique
(succinylation), carboxyméthylation avec l’ acide iodoacétique ou par désamidation des résidus de
glutamine et d'asparagine provoquée dans des conditions de températures élevées.
L’ acylation au moyen d’ anhydride succinique ou succinylation (figure 4a) améliore les propriétés
gélifiantes des protéines de poisson [34], mais altère l’ aptitude des micelles de caséine du lait à
coaguler par voie enzymatique et acide. En effet, pour un taux de succinylation des résidus de lysine
de l'ordre de 20 %, les charges négatives additionnelles induisent des répulsions entre protéines qui
modifient l'intégrité micellaire et diminuent les propriétés de coagulation des caséines [35-37].
Parallèlement, une amélioration des propriétés émulsifiantes et moussantes de la caséine a été
observée [23] lorsque plus de 40 % de ses groupes epsilon-aminés sont succinylés. Le remplacement
des forces électrostatiques de type attractif par des forces répulsives entre les groupements
carboxyliques additionnels et les charges négatives proximales provoque une diminution des
interactions inter et intra-protéiques au profit des interactions protéines-eau. La succinylation des
protéines de soja améliore leur solubilité à un pH donné. Le déploiement des chaînes
polypeptidiques favorise ainsi l’ adsorption interfaciale et la formation d’ un film interfacial. [38].
Réalisée sur des isolats de protéines de tournesol, elle induit un abaissement du point isoélectrique
(déplacement du minimum de solubilité vers des valeurs de pH acides) et une diminution de leur
capacité émulsifiante [30].
La carboxyméthylation (figure 4b) à l’ aide d'haloacétates (ex : acide iodoacétique) ou
d'haloalkylamides (ex : iodoacétamide) est également utilisée pour accroître la charge négative de la
protéine. La réaction peut avoir lieu sur les groupements epsilon-aminés, phénol, imidazole, indole
ou thiol et thioéther des protéines.
Réticulation Formation de ponts covalents
La réticulation des protéines a pour conséquence un abaissement de la solubilité de la protéine et de
sa digestibilité. Elle peut se faire par la formation de ponts covalents disulfure qui est induite par
oxydation modérée des groupements thiol en présence d’ air, de bromate ou de peroxyde
d’ hydrogène dans certaines conditions (figure 5a). Cette réaction est utilisée en technologie
boulangère pour améliorer les propriétés viscoélastiques du gluten de blé.
La rupture des ponts disulfure peut être obtenue par action d'agents réducteurs du type
mercaptoéthanol, dithiothréithol, cystéine ou encore des sulfites, ces derniers permettant une
réversibilité de la réaction (figure 5b). Le bisulfite de sodium présente une meilleure efficacité sur les
protéines de soja que le sulfite de sodium ou la cystéine [39]. Elle se traduit par une augmentation de
l'indice de dispersibilité des protéines de soja relatif à la dissociation majoritaire des globulines 7S et
11S liées entre elles par des liaisons disulfure covalentes. Le passage dans des conditions de pH
alcalin permet également d'augmenter ce taux de dissociation. Ces réactions sont souvent utilisées
pour améliorer la solubilité de protéines et faciliter leur purification. Ces additifs sont d'ailleurs
fréquemment utilisés dans la technologie de fabrication des films protéiques à base de protéines de
gluten de blé. La rupture des ponts disulfure intermoléculaires nécessaire à la solubilisation préalable
des globulines requiert l'utilisation de sulfites. Les S-sulfonates formés redonnent des groupements
thiols au cours de la phase de séchage du film. L'oxydation de ces groupements permet
l'établissement de nouveaux ponts disulfure, peu abondants mais d'énergie élevée, qui confèrent au
film sa rigidité.
La réticulation entre deux groupements epsilon-aminés de la lysine peut également avoir lieu via
l’ utilisation d’ agents bifonctionnels tels que les aldéhydes malonique, glutarique ou le
formaldéhyde [40-41]. Ces agents sont également utilisés pour améliorer les propriétés filmogènes
des protéines d'origine végétales, en particulier pour améliorer la résistance mécanique de films
protéiques à base de protéines de gluten de blé [42] ou de protéines de coton [43]. L'étude du
phénomène de réticulation par le formaldéhyde, le glutaraldéhyde et le glyoxal pendant la formation
du film protéique a permis de montrer que les acides aminés majoritairement impliqués étaient la
lysine (en présence de dialdéhydes), la tyrosine (en présence de formaldéhyde) et l'arginine (en
présence de glyoxal). Le gossypol, pigment phénolique présent naturellement dans des glandes de
certaines espèces de cotonniers a également été employé comme agent réticulant pour la fabrication
de film à base de protéines de coton. Le gossypol interagit avec les résidus de lysine au niveau de sa
fonction aldéhydique avec formation d'un dérivé quinonimique. Le traitement des protéines de
coton par le gossypol permet d'augmenter la force à la rupture et diminuer la solubilité des films. En
outre, ces matériaux présentent des propriétés de biodégradabilité intéressantes qui permettent
d'envisager des applications pour la fabrication d'emballages biodégradables [44]. Néanmoins, une
alternative à ce type de modifications par voie chimique est l'utilisation d'enzymes "pontantes" telle
la transglutaminase [45].
CONCLUSION
De toute évidence, la liste des modifications chimiques applicables aux protéines est très importante.
L’ ensemble des réactions décrites dans cet article n’ est pas exhaustive mais démontre simplement
la diversité des possibilités de modifications de la nature des protéines en vue de modifier leurs
propriétés fonctionnelles. Néanmoins, les conséquences nutritionnelles et toxicologiques peuvent
représenter un frein non négligeable dans l’ utilisation de certaines de ces modifications en industrie
agroalimentaire. Aujourd'hui d'autres types d'applications sont développées dans le domaine de
l'analyse spectrale par exemple [40]. L'avenir de ces méthodes est très prometteur si l'on considère
leur utilisation à des fins non alimentaires ou dans le cadre d'étude des relations structure/fonction.
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Illustrations
Figure 1 - Schéma réactionnel de modifications chimiques induisant une
augmentation du caractère apolaire des protéines.
Figure 2 - Schéma réactionnel de modifications chimiques induisant une diminution
de la charge électrique et une augmentation de la polarité des protéines.
Figure 3 - Schéma réactionnel de l'alkylation réductrice réalisée à partir d’ un
intermédiaire de la réaction de Maillard : formation de néoglycoprotéines.
Figure 4 - Schéma réactionnel de modifications chimiques conduisant à l'introduction
d'un groupement carboxylique.
Figure 5 - Schéma réactionnel de modifications chimiques induisant la formation ou la
rupture de ponts covalents entre acides aminés soufrés
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